開關電源搞得好，電路穩定少不了！談談它的電磁兼容設計（二）

3  電磁騷擾的抑制

    對開關電源的EMD的抑制措施，主要是

    1）減小騷擾源的騷擾強度；

    2）切斷騷擾傳播途徑。

    為了達到這個目的，主要從選擇合適的開關電源電路拓撲；采用正確的接地、屏蔽、濾波措施；設計合理的元器件布局及印制板布線等幾個方面考慮。

3.1  減小開關電源本身的騷擾

    減小開關電源本身的騷擾是抑制開關電源騷擾的根本，是使開關電源電磁騷擾低于規定極限值的有效方法。

    1）減小功率管通、斷過程中產生的騷擾

    上面分析表明，開關電源的主要騷擾是來自功率開關管通、斷的dv/dt。因此減小功率開關管通、斷的dv/dt是減小開關電源騷擾的重要方面。人們通常認為軟開關技術可以減小開關管通、斷的dv/dt。但是，目前的一些研究結果表明軟開關并不像人們預料的那樣，可以明顯地減小開關電源的騷擾。沒有實驗結果表明，軟開關變換器在EMC性能方面明顯地優于硬開關變換器。

    有文獻系統地研究了PWM反激式變換器、準諧振零電流變頻開關正激變換器、多諧振零電壓變頻開關反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯諧振變換器的EMD特性，討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷擾水平的影響。實驗結果表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關變換器的EMD電平*低。

    因此，采用軟開關電源技術，結合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線，對開關電源的EMD水平有一定的改善。

    2）開關頻率調制技術

    將頻率不變的調制改變為隨機調制，變頻調制等。頻率固定不變的調制脈沖產生的騷擾在低頻段主要是調制頻率的諧波騷擾，低頻段的騷擾主要集中在各諧波點上。由F.Lin提出的開關頻率調制方法^[3]，其基本思想是通過調制開關頻率f_c的方法，把集中在開關頻率f_c及其諧波2f_c，3f_c……上的能量分散到它們周圍的頻帶上，由此降低各個頻點上的EMD幅值，以達到低于EMD標準規定的限值。這種開關調頻PWM的方法雖然不能降低總的騷擾能量，但它把能量分散到頻點的基帶上，以達到各個頻點都不超過EMD規定的限值。

3.2  接地

    “接地”有設備內部的信號接地和設備接大地，兩者概念不同，目的也不同。“地”的經典定義是“作為電路或系統基準的等電位點或平面”。

3.2.1  設備的信號接地

    設備的信號接地，可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點，它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。

    在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點接地和多點接地。

    1）浮地

    采用浮地的目的是將電路或設備與公共接地系統，或可能引起環流的公共導線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現電路或設備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的*大優點是抗騷擾性能好。

    浮地的缺點是由于設備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當電荷積累到一定程度后，在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環性很強的騷擾源。

    一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會影響設備泄漏電流的合格性。

    2）混合接地

    混合接地使接地系統在低頻和高頻時呈現不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環路形成。當將直流地和射頻地分開時，將每個子系統的直流地通過10～100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應在一點有低阻抗連接起來，連接點應選在*高翻轉速度（di/dt）信號存在的點。

3.2.2  設備接大地

    在工程實踐中，除認真考慮設備內部的信號接地外，通常還將設備的信號地，機殼與大地連在一起，以大地作為設備的接地參考點。設備接大地的目的是

    1）保證設備操作人員人身的**。

    2）泄放機箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機箱電位升高，造成電路工作的不穩定。

    3）避免設備在外界電磁環境的作用下使設備對大地的電位發生變化，造成設備工作的不穩定。

    由此可見，設備接大地除了是對人員**、設備**的考慮外，也是抑制騷擾發生的重要手段。

3.3  屏蔽

       抑制開關電源產生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽，即用電導率良好的材料對電場屏蔽，用磁導率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合環形成磁屏蔽，另外，還要對整個開關電源進行電場屏蔽。屏蔽應考慮散熱和通風問題，屏蔽外殼上的通風孔*好為圓形多孔，在滿足通風的條件下，孔的數量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁的連續性，如果采用螺釘固定，注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則，這些會成為騷擾發射天線，嚴重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若用磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關電源的外殼一定要進行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。

3.4  濾波

        電源濾波器安裝在電源線與電子設備之間，用于抑制電源線引出的傳導騷擾，又可以降低從電網引入的傳導騷擾。對提高設備的可靠性有重要的作用。

        開關電源產生的電磁騷擾以傳導騷擾為主，而傳導騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導EMD*有效的方法是利用無源濾波技術。

        作為一種雙端口網絡EMD濾波器，它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓撲，而且在很大程度上也受EMD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負載阻抗的可變動性以及它們可能直接與電網相連的特點，電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設計不能完全應用成熟的通信用濾波器的設計方法和理論。這是電源波波器設計面臨的主要問題。

3.5  元器件布局及印制電路板布線

    開關電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小，通路的環路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射騷擾E∝I·A·f²。運用這一關系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長。

    上述關系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關鍵，這是說開關電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊；在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。

    在印制板上，將正負載流導線分別布在印制板的兩面，并設法使兩個載流導體彼此間保持平行，因為平行緊靠的正負載流導體所產生的外部磁場是趨向于相互抵消的。

    布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進行的，因此在布線時，應注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有

    1）盡量增大線間距離，使電容耦合為*小；

    2）采用靜電屏蔽，屏蔽層要接地；

    3）降低敏感線路的輸入阻抗。

    對磁場的抑制方法有

    1）減小騷擾源和敏感電路的環路面積；

    2）增大線間距離，使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地小；

    3）*好使騷擾源與敏感電路呈直角布線，以便大大降低線路間耦合。

4  結語

    開關電源電磁兼容設計的目的是使產品在一定的電磁環境下正常工作，也就是說，電源產品應滿足標準規定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時，無性能的下降或故障；同時，電源產品滿足標準規定的電磁極限值要求，對電磁環境不構成污染源，而實現電磁兼容。